10W@77K自由活塞斯特林制冷机的设计和实验研究

祁 云 孙大明* 乔 鑫 沈 惬 章 杰 汪乘红 丁海威

(1 浙江大学能源工程学院 杭州 310027)

(2 江苏克劳特低温技术有限公司 常州 213000)

1 引言

斯特林制冷机具有制冷效率高、结构紧凑、运行可靠、降温速率快以及制冷温度范围广等特点,具有广阔的应用前景。其中,针对红外探测、高温超导、医疗卫生和小型气体液化等应用场合的特殊要求,10 W@77 K 斯特林制冷机的需求尤为迫切[1]。国外的相关研究工作起步较早,目前已有多种直线电机驱动的斯特林制冷机可满足工程应用:美国Sunpower 公司研发了CryoTel CT 以及CryoTel GT 两种机型,均可在液氮温区达到10 W 以上的制冷量,效率接近7%,而且由于采用了气体轴承技术,所以具有较高的工作可靠性[2];以色列Ricor 公司研发了K535 机型,制冷量达5 W@65 K,由于压缩机采用双活塞对置结构,所以可在一定程度上降低设备振动[3];德国Leybold公司研发的SC-7com 制冷机,制冷量可达6 W@77 K;法国Thales 公司研发的LSF9340 型斯特林制冷机,制冷量可达7.3 W@75 K[4]。国内的研究工作由于起步较晚,所以可成熟应用的机型相对较少。中国电子科技集团公司16 所研发的10 W@80 K 气体轴承斯特林制冷机,可基本满足大冷量红外光学、冷光学系统的应用需求[1,5-8]。中国科学院理化技术研究所在10 W@ 77 K 斯特林制冷机的研制及其内部机理研究方面做了大量工作,同时在千瓦级制冷机方面也取得了很大的研究进展[9-12]。

在此研究背景下,为了满足国内对于高效率、高可靠性、长寿命低温制冷机的迫切需求,本文对10 W@77 K 自由活塞斯特林制冷机进行了深入研究。基于Sage 建立整机的数值模型并对关键参数进行分析,得到了制冷机的最优设计方案并成功研制出样机,完成了性能测试和模型验证。结果表明,数值模型具有较高的准确度,制冷机的实测制冷量可达10.62 W@77 K,性能系数(COP)为0.062,持续稳定运行时间可超过200 h,制冷机的总体性能达到国际先进水平。

2 数值计算

基于sage 对斯特林制冷机各部分结构模块化处理并搭建一维数值模型,可对制冷机的各部分关键结构和运行参数开展优化分析,在满足制冷量设计目标的前提下,实现制冷机高效可靠运行。制冷机结构为整体式同轴型,由直线电机驱动,如图1 所示。直线电机采用动磁式结构,永磁体与线圈的耦合磁场可产生轴向力,在板弹簧、气体弹簧以及机械阻尼等的共同作用下,驱动活塞做直线往复运动,并在膨胀腔产生制冷效应;回热器内部为蓄冷填料,可与气体工质周期性换热;高温端与室温端换热器均为狭缝翅片式结构,室温空气可通过对流换热冷却压缩腔内的氦气工质;板弹簧分别连接压缩活塞与排出器,在保证足够高的径向刚度的同时,对活塞施加适当的轴向力,使二者维持一定的位移幅值和相位差。

图1 制冷机结构示意图Fig.1 Schematic diagram of Stirling cryocooler

基于上述制冷机结构搭建sage 模型并开展数值计算,重点分析运行频率、工作压力以及回热器结构等对制冷机性能的影响规律。

2.1 运行频率

运行频率对制冷机的制冷量和COP有显著影响。一方面,合理的运行频率可以使直线电机工作于最优频率附近,保证电机的高效输出能力;另一方面,运行频率决定膨胀机部分的运行状态,当其与直线电机合理匹配、达到谐振状态时,整机可达到或接近最优的性能。图2、图3 给出了运行频率对制冷量、电机输入功和COP的影响规律,其中Th为室温端温度,Tc为冷端温度,Qc为制冷量,Wpv为输入PV 功,f为运行频率,p为工作压力。由图2、图3 可知,在优化区间内,随着运行频率增加,制冷机的制冷量、输入PV 功和COP均呈现先增加后减小的规律,存在最优值。当运行频率偏离最优值时,制冷机的制冷量、输入PV 功和COP均大幅下降。根据数值计算结果,选定运行频率f=60 Hz 为设计值,此时制冷机的制冷量和COP可同时达到或接近最大值,制冷量在77 K 为11.87 W,COP可达0.068,此时输入功为173.5 W。

图2 运行频率对制冷量和输入PV 功的影响Fig.2 Effect of operating frequency on cooling capacity and input PV power

图3 运行频率对COP 的影响Fig.3 Effect of operating frequency on COP

2.2 工作压力

图4、图5 给出了工作压力对制冷量、COP等参数的影响规律。由图可知,工作压力对制冷机性能同样具有显著影响,随着工作压力升高,制冷量以及输入PV 功均先增大后减小,COP单调增加但增速在压力高于1.4 MPa 后渐缓。考虑制冷量和COP的设计要求,以及设备的承压能力,选定工作压力p=2.1 MPa,此时制冷量和COP可同时接近最大值。

图4 工作压力对制冷量和输入PV 功的影响Fig.4 Effect of working pressure on cooling capacity and input PV power

图5 工作压力对COP 的影响Fig.5 Effect of working pressure on COP

2.3 回热器填料

回热器是回热式制冷机的核心部件,其填料参数的优化设计至关重要。如图6、图7 所示为基于运行参数的优化结果,在f=60 Hz、p=2.1 MPa 时制冷机制冷量和COP随填料参数的变化规律,图中dwire为丝径,φ为孔隙率。由图6、图7 可知,随着丝径和孔隙率增大,制冷量、COP均呈现先增加后减小的规律,存在最优值,分别为丝径dwire=12 μm、孔隙率φ=0.88。

图6 丝径对制冷量与COP 的影响Fig.6 Effect of wire diameter on cooling capacity and COP

图7 孔隙率对制冷量与COP 的影响Fig.7 Effect of porosity on cooling capacity and COP

综上所述,在工作压力p=2.1 MPa、运行频率f=60 Hz、回热器丝径dwire=12 μm 以及孔隙率φ=0.88时,斯特林制冷机可以达到最优工作性能,制冷量为11.87 W@77 K,COP为0.068。

3 实验研究

基于数值计算结果,研制斯特林制冷机样机(如图8 所示)并搭建实验系统,对工作性能进行了实验研究。制冷机冷端安装真空绝热腔,可减小冷端漏热,并避免结霜造成损坏;真空腔侧面布置航空插头,可连接冷端传感器及加热电阻的引线;直线电机一侧安装被动式减震器,减小运行过程中的机身振动和噪声。

图8 斯特林制冷机实物照片1-绝热腔;2-航空插头;3-直线电机;4-被动式减震器Fig.8 Photogragh of Stirling cryocooler

3.1 实验系统

斯特林制冷机的性能测试系统如图9 所示,图中1 为风扇电源,2 为万用表,3 为功率表,4 为直流电源,5 为交流电源,6 为控制器,7 为斯特林制冷机(冷端安装PT-100 温度传感器和加热电阻),8 为风扇。风扇电源对风扇供电,以室温空气强制对流冷却室温端的翅片换热器;万用表可测量冷端PT-100 温度传感器的电阻值;功率表可测量制冷机输入电功率;直流电源向冷端加热电阻供电,用以推算不同制冷温度下的制冷量;交流电源经控制器可向制冷机输入24 V、60 Hz 的交流电。

图9 制冷机性能测试系统1-风扇电源;2-万用表;3-功率表;4-直流电源;5-交流电源;6-控制器;7-斯特林制冷机;8-风扇Fig.9 Test rig of cryocooler

3.2 制冷机性能

制冷机性能测试实验主要测试了降温曲线和制冷量,并与sage 模型的计算结果进行了对比。基于数值计算的优化设计结果,运行参数选取工作压力p=2.1 MPa,运行频率f=60 Hz。

首先实验测试了冷端在无热负荷条件下由室温冷却至最低制冷温度的降温时间曲线,图10 给出了完整的降温曲线,其中t为时间。由图10 可知,降温初期降温曲线接近线性,即降温速率几乎不变,在快速降温至90 K 左右后,降温速率逐渐减缓,最终几乎水平,达到最低制冷温度。由室温状态开机,制冷机降温至77 K 约需5 min,约13 min 降温至最低制冷温度35.68 K。

图10 制冷机降温曲线Fig.10 Cooling curve of cryocooler

事实上,降温曲线所呈现的规律与斯特林制冷机在不同制冷温度下的工作特性有关,即制冷温度越低,制冷量越小。在降温初期的线性区域,由于制冷量较大,所以降温速率较快,约为0.73 K/s,而当降温至更低的温区之后,制冷量大幅下降,冷端降温速率明显减小,在36 K 附近达到热平衡,温度几乎不再下降。

图11 给出了制冷机在不同制冷温度下的制冷量曲线。图中分别列出了液氮温区附近实验测量与数值模拟的结果。由图11 可知,在模拟与实验结果中,制冷量与制冷温度之间均近似呈线性关系,77 K 时实际制冷量可达10.62 W,而且数值计算值始终略高于实验值,计算误差约为5.2%—15.4%。

图11 制冷量随温度变化曲线Fig.11 Variation curve of cooling capacity with temperature

数值计算的误差主要是由于模型与实际工作状态存在一定的差异。数值模型将斯特林制冷机简化为了一维节点模型,且包含理想气体假设等条件,忽略了部分流阻和传热损失,所以计算结果会略高于实测制冷性能。此外,由于数值模型的优化区间集中于70 K 至80 K 之间,所以在偏离这一温度区间时,计算误差会相对增大。

3.3 运行稳定性

为研究该斯特林制冷机长期工作的可靠性,开展了运行稳定性实验,测试结果如图12 所示。图中可见,在工作压力为2.1 MPa、运行频率为60 Hz、制冷温度为77 K 的条件下,制冷机持续稳定运行200 h以上,制冷量波动范围小于0.5 W(即总制冷量的±4.7%),表明该制冷机具备长期稳定运行的能力。

图12 制冷机持续开机制冷量变化曲线Fig.12 Variation curve of cooling capacity during continuous operation

4 结论

基于Sage 建立了10 W@77 K 自由活塞斯特林制冷机的数值模型,重点对制冷机的运行频率、工作压力和回热器参数等开展了优化设计,并成功研制出制冷机样机,完成了实验研究。结果表明,制冷机实测制冷量可达10.62 W@ 77 K,COP可达0.062,在200 h 持续运行时间内制冷量波动范围小于0.5 W,显示出高效稳定的工作性能,总体性能在目前国内已有研究中处于领先水平。数值模拟结果与实验结果吻合较好,说明所建的模型具有较高的准确性,为后续制冷机的设计和优化工作奠定了良好的基础。